89c51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理mcs-51系列

1、2024年3月4日2時30分,第二章89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理（MCS-51系列）,,緒,MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一種單片機系列，　于1980年推出。是8位單片機?！　ntel8051應(yīng)用非常廣泛。很多公司生產(chǎn)以8051為內(nèi)核的單　 片機。51系列的單片機芯片型號很多。,緒,它們的基本組成、基本性能和指令系統(tǒng)都是相同的。主要差別在存儲器上。,緒,緒,§2.1　 89C51(MCS-5

2、1)單片機的結(jié)構(gòu),§2.2 89C51(MCS-51)單片機引腳及其功能,§2.3 89C51(MCS-51)存儲器配置,§2.4 89C51(MCS-51) CPU時序,§2.5 復(fù)位及復(fù)位電路,§2.6 輸出/輸入端口結(jié)構(gòu),第二章89C51單片機結(jié)構(gòu)和原理,,,§2.7 89C51的底功耗工作方式,§2.1

3、　89C51(MCS-51)單片機的結(jié)構(gòu),一、　89C51(MCS-51)單片機的基本組成,二、 　89C51(MCS-51)單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu),一、 　89C51(MCS-51)單片機的基本組成,89C51單片機的基本結(jié)構(gòu)框圖：,89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖,89C51單片機主要包括：,89C51空閑工作方式時：,,CPU停止工作RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中 斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。電流下降到正常工作時的15%左右。,89C51掉電工

4、作方式時：,片內(nèi)振蕩器停止工作，一且功能都暫 停，只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一 次硬件復(fù)位為止。 電流下降到15uA以下，最小可降到 0.6uA。,二、 89C51(MCS-51)單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),（一）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,（二）主要組成部分功能,（一）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,一個完整的計算機由 　　　　　　　中央處理單元（CPU）、　　　　　　　存儲器（ROM及RAM）和　　　　　　　I/O接口組成。CPU是單

5、片機的核心，是計算機的控制和指揮中心，由運算器和控制器等部件組成。 89C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：,（二）主要組成部分功能,１、中央處理單元（CPU）,３、I/O接口,２、存儲器,1、中央處理單元（CPU）,1）運算器,2）控制器,1）運算器,（１）一個可進行8位算術(shù)運算和邏輯運算的單元　　ALU,（３）8位累加器ACC（A）,（４）程序狀態(tài)寄存器PSW,（５）寄存器B,（６）布爾處理器,（２）2個8位暫存器,包括：,可對4位

6、、8位和16位數(shù)據(jù)進行操作。能做加、減、乘、 除、加l、減l、BCD數(shù)十進制　調(diào)整及比較等算術(shù)運算。能做與、或、異或、求補及循環(huán)移位等邏輯操作。,（１）算術(shù)運算和邏輯運算的單元ALU,（３）累加器ACC（A）,,它經(jīng)常作為一個運算數(shù)經(jīng)暫存器2進入ALU的輸入　端，與另一個來自暫存器1的運算數(shù)進行運算，　運算結(jié)果又送回ACC。它是最繁忙的一個寄存器。在指令中用助記符A來表示。,（４）程序狀態(tài)字寄存器PSW,8位。用于指示指

7、令執(zhí)行后的狀態(tài)信息。相當于一般微處理器的標志寄存器。PSW中各位狀態(tài)供程序查詢和判別用。詳見特殊功能寄存器SFR中介紹。,（５）寄存器B,8位。在乘、除運算時，用來存放一個操作數(shù)，　也用來存放運算后的一部分結(jié)果。作為通用寄存器（不做乘除運算時）。,（６）布爾處理器,專門用于處理位操作的，以PSW中的CY為其累加器。(指令中用Ｃ）可執(zhí)行置位、位清0、位取反、位判斷、信息 傳送等位操作，也可執(zhí)行使C與其

8、他可尋址位之間進行邏輯 “與”、邏輯"或"操作。,（2）2個8位暫存器,ALU的兩個入口處。,2）控制器,（1）程序計數(shù)器PC（16位）,（2）指令寄存器IR,（4）振蕩器和定時電路,包括：,（3）指令譯碼器ID,（1）程序計數(shù)器PC（16位）,由兩個8位計數(shù)器PCH、PCL組成。PC是程序的字節(jié)地址計數(shù)器。PC內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。改變PC內(nèi)容，就可以改變程序執(zhí)行的方向。PC可對64KB的ROM

9、直接尋址，也可對8051片外RAM尋址。,（2）指令寄存器IR （3）指令譯碼器ID,由PC中的內(nèi)容指定ROM地址，取出來的指令經(jīng)IR送至ID，由ID對指令譯碼，產(chǎn)生一定序列的控制信號，以執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。,（4）振蕩器和定時電路,89C51單片機片內(nèi)有振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調(diào)電容（2個30pF左右），其頻率范圍為0~24MHz。該信號作為單片機工作的基本節(jié)拍，即時間的最小單位。單片機在其基本節(jié)拍的控制下協(xié)調(diào)

10、地工作。,2、存儲器,1）程序存儲器（ROM）,2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,它們有各自獨立的存儲地址空間,1）程序存儲器（ROM）,89C51、8051及8751的片內(nèi)ROM容量為4KB。地址從0000H開始。用于存放程序和常數(shù)（如表格數(shù)據(jù)等）。,1）程序存儲器（ROM）,89C51為Flash ROM8051、80C51為掩膜ROM8751、87C51為EPROM8031、80C31、8032 沒有ROM8752、89C52

11、為8KB ROM 。,2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,片內(nèi)通用RAM：89C51、8051/8751/8031 RAM均為128B，地址為00H～7FH。作用：用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。片內(nèi)特殊RAM：稱特殊功能寄存器SFR。21個（字節(jié)）,2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,特殊功能寄存器SFR地址： 分散在80~FFH中,3、I/O 接口,89C51有四個8位并行I/O接口P0

12、～P3。它們都是雙向端口，每個端口各有8條I/O線。P0~P3口四個鎖存器同RAM統(tǒng)一編址，可以把I/O口當作一般特殊功能寄存器來尋址。,§2.2　89C51(MCS-51)單片機引腳及其功能,一、 引腳圖（DIP）,二、 引腳功能說明,一、 引腳圖（DIP）,二、 引腳功能說明,1、電源引腳：Vcc和Vss2、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL23、控制信號引腳RST、ALE、PSEN和EA4、I/O端口P0、P

13、1、P2和P3,,,1、電源引腳：Vcc和Vss,Vcc(40腳)：電源端，為+5V。Vss(20腳)：接地端。,圖2-3,XTAL2（18腳）（89C51）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在89C51 片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳懸空。89C51正常工作時，該引腳應(yīng)有脈沖信號輸出。,2、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2,XTAL1（19腳）：接外部晶體和微

14、調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端在采用外部時鐘時，該引腳時鐘輸入端。,2、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2,圖2-3,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD（9腳）：RST：復(fù)位信號輸入端，高電平有效當此輸入端保持不少于兩個機器周期的高電平時，可完成復(fù)位操作。,,,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD（9腳）：VPD ：引腳的第二功能，備用電源輸入端

15、。當主電源Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將+5V電源自動接入該引腳，為RAM提供備用電源，以保證RAM中的信息不丟失，使得復(fù)位后能繼續(xù)正常運行。,,,圖2-3,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,ALE/PROG（30腳）：PROG：是對片內(nèi)帶有4KB Flash ROM的89C51編程寫入時的編程脈沖輸入.ALE為地址鎖存允許信號端，8031訪問外部存儲器時，該信號鎖存低8位地址；ALE的頻率為1/6時鐘

16、頻率,,,圖2-3,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,PSEN（29腳）：程序存儲器允許信號輸出端。在訪問片外ROM時，定時輸出負脈沖作為讀片外ROM的選通信號，接片外ROM 的OE端。它的負載能力為8個LS型TTL負載。,,,圖2-3,,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31腳）：EA： 外部程序存儲器地址允許輸入端。EA=1時，CPU訪問片內(nèi)ROM,并執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的指

17、令，但當PC值超過0FFFH（片內(nèi)ROM為4KB）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外ROM中的程序。,,,,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31腳）：EA=0時，CPU只訪問片外ROM,并執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。,,,圖2-3,,3、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31腳）：Vpp：對89C51片內(nèi)EPROM固化編程 時，編程電壓輸入端（

18、12V）。,,,圖2-3,,4、I/O端口P0、P1、P2和P3,1）　P0口2）　P1口3）　P2口4）　P3口,1）P0口（P0.0~P0.7）,漏極開路的8位準雙向I/O口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負載。P0口可作為一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口。當P0口作為輸入口使用時，應(yīng)先向口鎖存器(地址80H)寫入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。,1）P0口（P0.0~P0.7）,在CPU訪問片外存儲器時，P0口為分時復(fù)

19、用的低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線。 準雙向：當P0口作輸入口使用時要先寫1，這就是準雙向的含義。,2）P1口（P1.0~P1.7）,帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口，每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。在Pl口作為輸入口使用時，應(yīng)先向Pl口鎖存器(地址9OH)寫入全1， 此時Pl口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。,3）P2口（P2.0~P2.7）,帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口，每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。在CPU

20、訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址。在訪問片外存儲器時，P2口一般不做它用,4）P3口（P2.0~P2.7）,帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口，每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。P3口與其他I/O端口有很大區(qū)別，它除作為一般準雙向I/O口外，每個引腳還具有第二功能。,§2.389C51(MCS-51)存儲器配置,§2.3.1存儲器分類§2.3.2程序存儲器§2.3.3數(shù)據(jù)存

21、儲器,§2.3.1 存儲器分類,§2.3.1 存儲器分類,,,,,,,,,,89C51存儲器,程序存儲器ROM,數(shù)據(jù)存儲器ROM,片內(nèi)程序存儲器,片外程序存儲器,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,片外數(shù)據(jù)存儲器,,,,物理上4個相互獨立的存儲器空間：,§2.3.1 存儲器分類,邏輯上3個獨立的存儲器空間：,邏輯上3個獨立的存儲器空間：,三個邏輯地址空間地址有重疊，如何區(qū)分？CPU訪問片內(nèi)、片外ROM指令用MOVC

22、訪問片外RAM指令用MOVX訪問片內(nèi)RAM指令用MOV,§2.3.2 程序存儲器,一、程序存儲器作用二、程序存儲器空間及使用三、程序存儲器的保留單元,一、程序存儲器作用,用于存放編好的程序。可以存放表格常數(shù)等。,二、程序存儲器空間及使用,片內(nèi)、外統(tǒng)一編址。片外最多可擴至64KB 。89C51 ROM的容量為4KB。地址為0000H～0FFFH。外擴ROM地址為1000H～FFFFH，或0000H~FFF

23、FH。,當 EA=“1”時：在地址小于4KB （0000～0FFFH）時，CPU訪問內(nèi)部的程序存儲器;在地址大于4KB時,CPU自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器中取指令。 片外ＲＯＭ范圍：1000H~FFFFH,,二、程序存儲器空間及使用,當 EA=“0”時：片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM中取指令。片外ROM可以從 0000H 開始尋址。0000~FFFFH由于80C31片內(nèi)不帶ROM ，所以使用時必須 EA=”0”。

24、,,二、程序存儲器空間及使用,89C51從片內(nèi)ROM和片外ROM取指的速度相同。,二、程序存儲器空間及使用,三、程序存儲器的保留單元,89C51　0000~002AH給系統(tǒng)用,0000H～0002H三個單元：用作上電復(fù)位后引導(dǎo)程序的存放單元。復(fù)位后PC的內(nèi)容為0000H。CPU總是從0000H開始執(zhí)行程序。將轉(zhuǎn)移指令存放到這三個單元，程序就被引導(dǎo)到指定的程序存儲器空間去執(zhí)行。,三、程序存儲器的保留單元,0003H～002AH單元

25、：均分為五段，用作五個中斷服務(wù)程序的入口。中斷矢量地址表如表所示:,三、程序存儲器的保留單元,保留的存儲單元,中斷矢量地址表,單片機訪問外部程序存儲器,單片機訪問外部程序存儲器,§2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器,一、數(shù)據(jù)存儲器RAM的作用二、片外RAM 三、片內(nèi)RAM,用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。分兩部分：片內(nèi)RAM、片外RAM。地址范圍：片內(nèi)RAM：00~FFH片外RAM：0000H~FF

26、FFH,一、數(shù)據(jù)存儲器RAM的作用,二、片外RAM,片內(nèi)RAM不夠用時，需要外擴RAM。常采用的存儲器芯片是靜態(tài)RAM存儲器， 6116、6264、62256一般最大容量為64KB。 地址：0000H~FFFFH,二、片外RAM,訪問外部數(shù)據(jù)存儲器用P2口輸出地址高8位，用PO口輸出地址低8位， 用ALE作為地址鎖存信號。 數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容既可讀出，也可寫入。在時序上由相應(yīng)的RD和WR

27、信號控制。,二、片外RAM,訪問指令類型：MOVXMOVX  A, @DPTRMOVX  @DPTR, AMOVX  A, @R1MOVX  @R1, AMOVX  A, @R0MOVX  @R0, A,16位地址寄存器,8位工作寄存器,1、片內(nèi)RAM地址空間劃分2、低128字節(jié)RAM（00H～7FH）3、高128字節(jié)RAM（80H～FFH） （特殊功能寄存

28、器SFR區(qū)）,二、片內(nèi)RAM,1、片內(nèi)RAM地址空間劃分,低128B（00H-7FH）：真正RAM區(qū),高128B（80H-FFH）：特殊功能寄存器（SFR）區(qū),地址：00H-FFH,,FFH,80H,7FH,00H,兩部分,2、低128字節(jié)RAM（00H~7FH）,1）工作寄存器區(qū)（00H~1FH）2）位尋址區(qū)（20H~2FH） 3）通用RAM區(qū)（30H~7FH）,2、低128字節(jié)RAM（00H~7FH）,可直接尋址，也

29、可寄存器間接尋址 如: MOV A,40H MOV A,@R1,1）工作寄存器區(qū)（00H~1FH）,由四組（0、1、2、3）工作寄存器組成，每組8個寄存器：R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7共占32個字節(jié)單元。,1）工作寄存器區(qū)（00H~1FH）,尋址： MOV A, R2 MOV R0, A MOV A,@R1 MOV

30、 @R1, A如何區(qū)分對哪一組的工作寄存器進行操作。,1）工作寄存器區(qū)（00H~1FH）,通過程序狀態(tài)寄存器 PSW中RS1、RS0兩位設(shè)定來選擇CPU的當前工作寄存器組。復(fù)位時，第0組為當前的工作寄存器。若不需要四組，則其余可作為一般RAM單元。,工作寄存器地址表,2）位尋址區(qū)（20H~2FH）,,位尋址區(qū)有16個字節(jié)單元，共128位。位地址為00H-7FH。（見表）注意：位地址與字節(jié)地址的區(qū)別,RAM位尋址區(qū)位地址

31、表,2）位尋址區(qū)（20H~2FH）,,可用位尋址方式訪問其各位。這些可尋址位，通過執(zhí)行指令可直接對某一位操作，如置1、清0、判斷轉(zhuǎn)移等。位尋址是MCS-51系列單片機的一個重要特點。,CLR 01H SETB 08HCLR 20H SETB 7BH,3）通用RAM區(qū)（30H~7FH）,,用于堆棧。用于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。,3、高128字節(jié)RAM

32、（80H～FFH） （特殊功能寄存器SFR區(qū)）,,有21個特殊功能功能寄存器。地址分布在80H～FFH的RAM空間。只能用直接尋址方式。 MOV A,P1 MOV A，80H 有11個具有位尋址能力。,特殊功能寄存器地址表,單片機的特殊功能寄存器表,,特殊功能寄存器位地址映像,,特殊功能寄存器位地址映像,特殊功能寄存器位地址映像,部分特殊功能寄存器介紹,,累加

33、器ACC（E0H）：用A作為ACC的助記符。用于存放第一個操作數(shù)及運算結(jié)果。最常用的。,,寄存器B（F0H）：在乘法指令中，B用于存放乘數(shù)和乘 積的高8位。在除法指令中用于存放除數(shù)和余數(shù)。在其它指令中用作一般的寄存器或 RAM單元。,部分特殊功能寄存器介紹,程序狀態(tài)寄存器PSW （D0H）PSW包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供 程序查詢或判斷用。 PSW的格式 PSW各位的含義,部分特殊

34、功能寄存器介紹,PSW的格式如下：,PSW各位的含義,,（1）CY位（PSW.7）：進（借）位標志位。執(zhí)行加法（減法）運算指令時，如運算結(jié)果最高位（D7）向前有進位（借位），CY=1；否則，CY=0。在位操作指令中，CY位是布而累加器，用C表示。,,（2）AC位（PSW.6）：半進位標志位（輔助進 位標志）。執(zhí)行加法（減法）運算指令時，如運算結(jié)果 的低半

35、字節(jié)（D3）向高半字節(jié)有進位（借 位），AC=1；否則，AC=0。,PSW各位的含義,,（3）FO位（PSW.5)：用戶標志。由用戶自己定義,置位、復(fù)位，以作為軟件標志。,PSW各位的含義,,（4）RS0、RS1位（PSW.3和PSW.4）：工作寄 存器組選擇控制位。由用戶用軟件改變RS0和RS1的值，以切換當 前選用的工作寄存器組。(見表)上電復(fù)位時，（RS0）=（RS1）=0，CPU自

36、 然選擇第0組為當前工作寄存器組。,PSW各位的含義,RS0，RS1的組合關(guān)系,,（5）OV位（PSW.2）：溢出標志位。如有溢出，即運算結(jié)果超出-128 ～+127　 的范圍時，OV=1；無溢出時，OV=0。,PSW各位的含義,,（6）P位（PSW.0）：奇偶檢驗位。 每條指令執(zhí)行后，累加器A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則P=1；否則，P=0。,PSW各位的含義,,（7）PSW.1：

37、為保留位。89C51未用，為F1用戶標志位。,PSW各位的含義,,堆棧指針SP（81H）：堆棧：在片內(nèi)RAM中，開辟的一個按“先進后　　　　　出”的結(jié)構(gòu)方式處理數(shù)據(jù)的區(qū)域。堆棧的作用： 暫存數(shù)據(jù)（PUSH，POP），　　　　　　　調(diào)用子程序CALL，　　　　　　　中斷 SP的內(nèi)容可指向片內(nèi)RAM 00H~7FH的任何單 元。,部分特殊功能寄存器介紹,,堆棧指針SP（81H）：系統(tǒng)復(fù)位后：（SP）=07H。

38、 即SP指向07H單元。 堆棧的操作：如 圖2-6 所示。,部分特殊功能寄存器介紹,,在使用堆棧前，先給SP賦值，以規(guī)定堆棧的起始位 置，稱為棧底。 當數(shù)據(jù)壓入堆棧后，SP自動加1，出棧時自動減1。 這種堆棧結(jié)構(gòu)屬于向上生長型的堆棧 SP始終指向棧頂。 注意使用時堆棧區(qū)不要與一般的RAM混用。,,數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H）：DPTR是一個16位的特殊功能寄存器。由

39、DPH（83H），DPL（82H）組成。DPH，DPL可以單獨使用。DPTR主要用于存放16位的地址?？蓪ぶ?片外64KB的空間。,部分特殊功能寄存器介紹,,I/O端口P0、P1、P2、P3 （80H、90H、A0H、B0H）：分別為四個并行端口的鎖存器，每一個口鎖存器還有位地址，所以每一條 I/O線可獨立輸入或輸出。輸出時，可以鎖存；輸入時，可以緩沖。,部分特殊功能寄存器介紹,

40、§2.4 89C51(MCS-51) CPU時序,§2.4.1 片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,§2.4.2 機器周期和指令周期,§2.4.3 CPU取指、執(zhí)行周期時序,§2.4.1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,1、晶體振蕩器的振蕩電路,2、節(jié)拍與狀態(tài)周期,89C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用　于構(gòu)成振蕩器。 反相放大器的輸入端為XTA1，輸出端為XTAL2　

41、　?。?9、18腳）。 在XTAI1和XTAL2兩端跨接石英晶體及兩個電　　容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖,1、晶體振蕩器的振蕩電路,電容器C1、C2典型取值20pF--100pF。對振蕩頻　率有微調(diào)作用。 通常取3OpF左右， 振蕩頻率范圍是０—2４MHz。晶體振蕩器的振蕩信號從XTAL2端輸入到片內(nèi)　的時鐘發(fā)生器。如圖,1、晶體振蕩器的振蕩電路,時鐘發(fā)生器是一個2分頻觸發(fā)器電路， 它將振蕩器的信號頻率fosc除以2，

42、向CPU提供了兩相時鐘信號Pl和P2。 時鐘信號的周期稱為機器狀態(tài)時間S(STATE)，它是振蕩周期的2倍。,2、節(jié)拍與狀態(tài)周期,在每個時鐘周期(即機器狀態(tài)時間S)的前半周期，相位l(P1)信號有效，在每個時鐘周期的后半周期，相位2(P2)信號有效。 每個時鐘周期(以后常稱狀態(tài)S)有兩個節(jié)拍(相)P１和P2,CPU就以兩相時鐘Pl和P2為基本節(jié)拍指揮8051單片機各個部件協(xié)調(diào)地工作。,2、節(jié)拍與狀態(tài)周期,§2.4.2機

43、器周期和指令周期,二、指令周期,一、機器周期,一、機器周期,一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需的時間　　　例如，取指令、讀存儲器、寫存儲器等。一個機器周期包括12個振蕩周期，　　　　　　分為6個S狀態(tài)：S1~S6。每個Ｓ狀態(tài)又分為兩拍，稱為P1和P2。（示意圖）,一、機器周期,因此，一個機器周期中的12個振蕩周期表示為S1P1，S1P2，S2P1，···，S6P1，S6P2。若采用6MH

44、z晶體振蕩器，則每個機器周期為2μs（微秒）,二、指令周期,指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。指令周期由一個或幾個機器周期組成。有單周期指令、雙周期指令、和四周期指令。機器周期數(shù)少則執(zhí)行速度快。每條指令由一個或若干個字節(jié)組成。有單字節(jié)指令，雙字節(jié)指令，…多字節(jié)指令等。字節(jié)數(shù)少則占存儲器空間少。,§2.4.3CPU取指、執(zhí)行周期時序,每條指令的執(zhí)行都可以包括: 取指和執(zhí)指兩個階段

45、。在取指階段，CPU從內(nèi)部或外部ROM中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行這條指令。,§2.4.3CPU取指、執(zhí)行周期時序,單字節(jié)和雙字節(jié)的指令都可能是單機器周期或雙周期。三字節(jié)指令都是雙周期的。只有乘、除指令占四周期。因此，執(zhí)行一條指令的時間分別是2μs，4μs和8μs（假設(shè)：６ＭＨz）。如 圖2-10所示,§2.5 復(fù)位及復(fù)位電路,§2.5.1 復(fù)位操作§2.5.2

46、 復(fù)位信號及其產(chǎn)生§2.5.3 復(fù)位電路,§2.5.1 復(fù)位操作,一、復(fù)位操作主要功能二、寄存器的復(fù)位狀態(tài),一、復(fù)位操作主要功能,PC機初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動。,二、寄存器的復(fù)位狀態(tài),二、寄存器的復(fù)位狀態(tài),PC=0000HP0~P3=FFHSP=07HPSW=00H,

47、7;2.5.2復(fù)位信號及其產(chǎn)生,復(fù)位信號：RST引腳為復(fù)位信號輸入端。當RST引腳為高電平，且有效時間持續(xù)24個 振蕩周期以上，才能復(fù)位。產(chǎn)生復(fù)位信號的電路邏輯圖：,圖 復(fù)位電路邏輯圖,復(fù)位電路,施密特觸發(fā)器,,,,,,,,片內(nèi)RAM,,,,,,,,RST/VPD,VCC,VSS,,D1,D2,,,§2.5.3復(fù)位電路,一、上電自動復(fù)位二、按鍵手動復(fù)位,一、上電自動復(fù)位,只要Vcc的上升時間不超過1m

48、s，就自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)復(fù)位。,是通過外部復(fù)位電路的電容充電實現(xiàn)。,二、按鍵手動復(fù)位,電平復(fù)位,利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)復(fù)位,,,二、按鍵手動復(fù)位,§2.6輸出/輸入端口結(jié)構(gòu),§2.6.0 I/O端口概述§2.6.1 P0口§2.6.2 P1口§2.6.3 P2口§2.6.4 P3口

49、67;2.6.5 端口的負載能力和接口要求,§2.6.0 I/O端口概述,1．8051單片機有四個8位并行I/O端口： P0、P1、P2和P3。2．每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。3．每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。4．每個端口都包括一個鎖存器（即特殊功能寄存器P0~P3），一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，作輸出是數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖。,§2.6.1

50、 P0口,一、 P0口結(jié)構(gòu)二、P0口作為一般I/O口使用三、P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用,一、P0口結(jié)構(gòu),P0口某位的結(jié)構(gòu)由一個輸出鎖存器、二個三態(tài)輸　入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成?！∪鐖D所示。當C=0時，開關(guān)MUX被控為如圖示位置，　P0口為通用I/O口；當C=1時，開關(guān)撥向反相器3的輸出端，　P0口分時作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。,圖　P0口某位的結(jié)構(gòu)圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

51、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,讀引腳,讀鎖存器,內(nèi)部總線,寫入,D,CP,Q,Q,,地址/數(shù)據(jù),控制C,MUX,VCC,T1,T2,P0.X,4,3,1,2,鎖存器,二、P0口作為一般I/O口使用,1、P0口用作輸出口2、P0口作輸入口,當C=0時，開關(guān)MUX被撥向Ｑ非位置，Ｔ１截　止，P0口為一般I/O口。P0口為一般I/O口用，應(yīng)外接１０k的上拉電子阻。,1、P0口用作輸出口,當CPU執(zhí)行輸出指令時，寫脈

52、沖加在D鎖存器的CP上，這樣，與內(nèi)部總線相連的D端的數(shù)據(jù)取反后就出現(xiàn)在Q端上，又經(jīng)輸出級FET（T2）反相，在P0端口上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)。這是一般的數(shù)據(jù)輸出情況。,2、P0口作輸入口,當執(zhí)行一條由端口輸入的指令時，“讀引腳”脈　沖把三態(tài)緩沖器2打開，這樣，端口上的數(shù)據(jù)經(jīng)　過緩沖器2讀入到內(nèi)部總線。在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫入　1，也就是使鎖存器Q=0。因為控制線C=0，因　此T1和T2全截止，引腳

53、處于懸浮狀態(tài)，可作高　阻抗輸入。,三、P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用,1．P0口用作輸出地址/數(shù)據(jù)總線2．P0口作輸入口,1．P0口用作輸出地址/數(shù)據(jù)總線,以P0口引腳輸出低8位地址或數(shù)據(jù)信息，MUX　開關(guān)把CPU內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線經(jīng)反向器3與驅(qū)動 場效應(yīng)管FET（T2）柵極接通。上下兩個FET 處于反相，構(gòu)成推拉式的輸出電路（T1導(dǎo)通時 上拉，T2導(dǎo)通時下拉），提高了負載能力。當P0口被地址/數(shù)據(jù)總線占用時，就無

54、法再作 一般I/O口使用了。,在“讀引腳”信號有效時，打開輸入緩沖器2，使數(shù)據(jù)進入內(nèi)部總線。,2．由P0口作輸入口,§2.6.2 P1口,一、P1口結(jié)構(gòu)二、P1口用作通用I/O,一、P1口結(jié)構(gòu),其電路結(jié)構(gòu)見圖，輸出驅(qū)動部分與P0口不同，內(nèi)部有上拉負載電阻與 電源相連。實質(zhì)上，電阻是兩個場效應(yīng)管FET并在一起：一個 FET為負載管，其電阻固定。另一個FET可工作在 導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，使其

55、總電阻值變化近似為0 或阻值很大兩種情況。當阻值近似為0時，可將引 腳快速上拉至高電平；當阻值很大時，P1口為高阻 輸入狀態(tài)。,圖 P1口某位的結(jié)構(gòu)圖,二、P1口用作通用I/O,P1口也是一個準雙向口。在端口用作輸入時，也必須先向?qū)?yīng)的鎖存器寫 入1，使FET截止。當P1口輸出高電平時，能向外提供拉電流負載， 所以不必再接上拉電阻。,§2.6.3 P2口,一、P2口結(jié)構(gòu)二、P2

56、口用作一般I/O口三、P2口用作高8位地址總線,一、P2口結(jié)構(gòu),P2口某位的結(jié)構(gòu)與P0口類似，有MUX 開關(guān)。驅(qū)動部分與P1口類似，但比P1口多了 一個轉(zhuǎn)換控制部分。如圖.,圖 P2口某位的結(jié)構(gòu)圖,二、P2口用作一般I/O口,1、當CPU對片內(nèi)存儲器和I/O口進行讀/寫（執(zhí)行MOV 指令或EA=1時，執(zhí)行MOVC指令）時，由內(nèi)部硬件自動使開關(guān)MUX倒向鎖存器的Q端，這時，P2口為一般I/O口。,2、在只需擴展25

57、6B片外RAM的系統(tǒng)中， 使用“MOVX A, @Ri”類指令訪問片外RAM 時，尋址范圍是256B， 只需低8位地址線就可以實現(xiàn)。 P2口不受該指令影響，仍可作通用I/O口。,二、P2口用作一般I/O口,3、若擴展的RAM容量超過256B， 使用“MOVX A,@DPTR”類指令的尋址范圍 是64KB， 此時，高8位地址總線用P2口輸出。 在片外RAM讀

58、/寫周期內(nèi)，P2口鎖存器仍保持 原來端口的數(shù)據(jù)； 在訪問片外RAM周期結(jié)束后，多路開關(guān)MUX自動切換倒鎖存器Q端。 由于CPU對RAM的訪問不是經(jīng)常的，在這種情況下，P2口在一定的限度內(nèi)仍可用作通用I/O口。,二、P2口用作一般I/O口,三、P2口用作高8位地址總線,當CPU對片外存儲器或I/O口進行讀/寫（執(zhí) 行MOVX指令或EA=0時執(zhí)行MOVC指令） 時，開關(guān)倒向地址線（右）端，

59、 這時，P2口只輸出高8位地址。因為訪問片外EPROM和RAM的操作往往接 連不斷，所以，P2口要不斷送出高8位地 址，此時P2口無法再用作通用I/O口。,§2.6.4 P3口,一、結(jié)構(gòu)二、P3口作為通用I/O口使用三、P3口用作第二功能使用,P3口是一個多功能端口，結(jié)構(gòu)見圖。P3口與P1口的差別在于多了“與非”門3和緩沖器4。使得P3口除了具有P1口的準雙向I/O功能外，還可以使用

60、各引腳所具有的第二功能?！芭c非”門3的作用實際上是一個開關(guān)，決定是輸出鎖存器上的數(shù)據(jù)還是輸出第二功能（W）的信號當W=1時，輸出Q端信號；當Q=1時，可輸出W線信號。,一、P2口結(jié)構(gòu),編程時，可不必事先由軟件設(shè)置P3口為第一功能（通用I/O口）還是第二功能。當CPU對P3口進行SFR尋址（位或字節(jié)）訪問時，由內(nèi)部硬件自動將第二功能輸出線W置1，這時，P3口為通用I/O口。當CPU不對P3口進行SFR尋址（位或字節(jié)）訪問時，即用作

61、第二功能輸出/輸入線時，由內(nèi)部硬件使鎖存器Q=1。,一、P2口結(jié)構(gòu),圖 P3口某位的結(jié)構(gòu)圖,當把P3口作為通用I/O口進行SFR尋址時“第二輸出功能端”W保持高電平，打開“與非”門3，D鎖存器輸出端Q的狀態(tài)可通過“與非”門3送至FET場效應(yīng)管輸出。 當P3口作為輸入使用（即CPU讀引腳狀態(tài)）時，同P0—P2口一樣應(yīng)由軟件向口鎖存器寫1。,二、P3口作為通用I/O口使用,三、P3口用作第二功能使用,當端口用于第二功能時，8個引腳可

62、按位獨立定義。見表,表 P3各口線與第二功能表,§2.6.5 端口的負載能力和接口要求,P0口： 作通用I/O口使用時，用其輸出去驅(qū)動NMOS輸入時需外接上拉電阻。用作輸入時，應(yīng)先向口鎖存器（80H）寫1。作地址/數(shù)據(jù)總線時，則無需外接上拉電阻。用作數(shù)據(jù)輸入時，也無需先寫“1”。P0口的每一位輸出可驅(qū)動8個LS型TTL負載。,P1-P3口每一位輸出可驅(qū)動4個LS型TTL負載。 無需外接上拉電阻。 80C5